中壓開關(guān)柜在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件抗電磁干擾技術(shù)研究

1、第 43卷 第 5期 2007年 10月High Voltage ApparatusVol.43No.5Oct. 2007 高壓電器 收稿日期 :2007-01-23; 修回日期 :2007-03-28基金項目 :國家杰出青年科學(xué)基金資助 (50525722 。作者簡介 :王小華 (1978- , 男 , 浙江常山人 , 講師 , 博士 , 現(xiàn)從事開關(guān)電器設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)研究。321 中壓開關(guān)柜在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件抗電磁干擾技術(shù)研究王小華 1,榮命哲 1,徐鐵軍 1,蔡彬 2,張杭 1,郭媛媛 1,王鑫 3(1. State Key Lab. of Electrical Insulati

2、on and Power Equipment , Xi an Jiaotong University, Xi an , 710049, China ;2DAQO Group , Yangzhong 225000, China ; 3. Xi an University of Technology , Xi an 710048, China Study on Anti -Electromagnetic Interference Technology by Hardware for On -lineMonitoring System of Medium Voltage Switchgear(1.

3、西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室 , 陜西 西安 710049;2. 大全集團 , 江蘇 揚中 225000; 3. 西安理工大學(xué) , 陜西 西安 710048WANG Xiao -hua 1, RONG Ming -zhe 1, XU Tie -jun 1, CAI Bin 2, ZHANG Hang 1, GUO Yuan -yuan 1, WANG Xin 3文章編號 :1001-1609(2007 05-0321-04摘要 :從在線監(jiān)測系統(tǒng)的電源 、 信號傳輸 、 PCB 布局分區(qū) 、 布 線等方面入手 , 介紹了提高在線監(jiān)測 系 統(tǒng) 抗 電 磁 干 擾 的 方 法 。 實驗

4、證明 , 采用該方法設(shè)計的在線監(jiān)測系統(tǒng) , 抗電磁干擾 性能得到較大提高 , 已經(jīng)通過了國家高壓電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗 中心電磁兼容性嚴(yán)酷度等級 3級標(biāo)準(zhǔn)的試驗 。 關(guān)鍵詞 :開關(guān)柜 ; 在線監(jiān)測 ; 抗電磁干擾 中圖分類號 :TM591文獻(xiàn)標(biāo)志碼 :AAbstract:In this paper , the methods used to improve an-ti -electromagnetic interference ability was introduced , espe-cially focus on the power supply system , signal transmis

5、sion , PCB subarea layout , and PCB connection layout. By using these methods presented in this paper , the anti -electromag-netic interference ability of on -line monitoring system was im-proved greatly , and had passed 3degree EMC standard test. Keywords:switchgear ; on -line monitoring ;anti -ele

6、ctromagnetic interference前言為了提高中壓開關(guān)柜運行的穩(wěn)定性 , 國內(nèi)外電力系統(tǒng)各運行單位越來越重視對其開展在線監(jiān)測技 術(shù) 1, 2。 因此 , 國內(nèi)外各大專院校 、 研究所紛紛開展中 壓開關(guān)柜在線監(jiān)測技術(shù) , 并取得了一些不錯的研究 成果 3-12。 但是 , 截至目前 , 能真正應(yīng)用到中壓開關(guān) 柜的在線監(jiān)測裝置并不多 。 究其原因 , 電磁兼容性能 不達(dá)標(biāo)是重要因素 。 為此 , 筆者針對中壓開關(guān)柜在線 監(jiān)測系統(tǒng)的抗電磁干擾技術(shù)進行研究 , 旨在提高在 線監(jiān)測系統(tǒng)的電磁兼容性能 , 使之能盡快應(yīng)用于我 國的電力系統(tǒng)的中壓開關(guān)柜在線監(jiān)測中 。筆者分別從中壓開關(guān)柜在線監(jiān)

7、測系統(tǒng)的電源系統(tǒng) 、 信號傳輸 、 PCB 布局 、布線等方面 , 分別研究了其 抗電磁干擾技術(shù) 。1在線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件構(gòu)架研究的系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)多 、 信號處理量大 、 功能較 完善 , 因此選用雙 MCU 結(jié)構(gòu)作為核心 , 具體硬件原 理圖見圖 1。 其中 , DSP 模塊主要完成所有信號的采 集 、 處理 , 并將處理后的數(shù)據(jù)分別上傳到上位機 (計 算機 和 P89V51單片機進行顯示 ; P89V51單片機 主要完成液晶顯示 、 人機接口 、 LED 指示功能 。2在線監(jiān)測系統(tǒng)的抗電磁干擾方法2.1電源系統(tǒng)的抗電磁干擾技術(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)選用的電源必須是正規(guī)廠家生產(chǎn) 的 、 能夠達(dá)到電力系統(tǒng)

8、3級或 4級電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn) 的開關(guān)電源 。 開關(guān)電源的電磁兼容性能對系統(tǒng)的抗 電磁干擾能力影響最大 。 沒有合格的開關(guān)電源 , 要達(dá) 到電磁兼容 3級標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)困難 。!"! ! ! ! ! ! "! 研究與分析第 43卷 第 5期2007年 10月High Voltage Apparatus Vol.43No.5Oct. 2007高壓電器對于中壓開關(guān)柜在線監(jiān)測系統(tǒng)來說 , 部分參數(shù) 的測量需要將直流電源外供 , 即電源經(jīng)系統(tǒng)主機箱 給傳感器供電 。 此時 , 需要對引出系統(tǒng)主機箱的電源 進行特殊處理 , 以提高其抗電磁干擾能力 。共模干擾是出現(xiàn)于導(dǎo)線 (信號線 、 電源線

9、與地 之間的干擾 , 它的出現(xiàn)通常是由于地電位升高所引 起 , 電容耦合引起的干擾一般都是共模干擾 。 如圖 2所示的雙電源解耦電路 , 如果有某種原因 , GNDB 點 地電位突變 , 這相當(dāng)于在該點與地之間接入一個電 壓源 , 它作用于回路中所有端子與地之間 , 稱之為共 模電壓 。 如圖 3所示的單電源解耦電路 , 在絕對平衡 的電路內(nèi) , +5VB 和 GNDB 之后接入的 阻抗完全相 同并且兩根連線完全一樣 , 則其對地的雜散電容也 完全一樣 , 這樣的情況不會出現(xiàn)虛假的干擾信號 , 只 是對地電位有變化 。 如果共模電壓太高 , 可能引起對 地放電 (反擊 , 造成元器件損壞 。

10、隨著頻率的升高 , 連線阻抗和雜散電容的作用就越來越突出 , 只要稍 有不同 , 由共模電壓在兩根線上引起的電流就不同 , 這樣兩線之間會出現(xiàn)干擾信號 , 就是所謂的共模干 擾電壓 。 差模干擾是出現(xiàn)于信號回路內(nèi)的 、 與正常信 號電壓相串連的一種干擾 。 它通常是由磁耦合引起 的 。 當(dāng)有變化的外磁場與兩條信號線間包圍的面積 相連時 , 則在信號回路內(nèi)出現(xiàn)感應(yīng)電壓 , 它與有用信 號相串聯(lián) , 共同作用于輸出端 。為了抑制電源地線引進的干擾 , 系統(tǒng)在硬件設(shè) 計上分別針對單電源和雙電源設(shè)計了如圖 2和圖 3所示的電源解耦電路 。 其中的電容和電感配合起來 共同抑制共模干擾和差模干擾 。 電容

11、和電感參數(shù)的 選取都是經(jīng)驗值 , 而且要結(jié)合實際情況 。 這樣設(shè)計可 以避免電源對系統(tǒng)引入干擾信號 , 從而在一定程度 上保證了系統(tǒng)的測量精度 。2.2信號調(diào)理電路的抗干擾設(shè)計在線監(jiān)測系統(tǒng)的測量中 , 對于微弱電信號 , 如絕緣泄漏電流是微安級信號 、 熱電偶輸出的溫升信號 是毫伏級信號 , 其如果在信號處理前端就受到了干 擾 , 后果將是非常嚴(yán)重的 。 而且 , 由于在線監(jiān)測系統(tǒng) 所處的電磁干擾環(huán)境 , 強干擾信號可能數(shù)十倍甚至 數(shù)百倍于信號處理芯片的電源電壓 , 如果如此大的 干擾信號直接輸入信號處理芯片 , 則極有可能燒毀 芯片 。 在實驗條件下 , 當(dāng)前端的干擾信號淹沒了實 際信號時

12、, 即使經(jīng)過硬件電路的后級放大和濾波 , 在 示波器上觀察到的波形仍然是一片混疊 , 還時常伴 有高頻分量 , 雖然在軟件設(shè)計過程中也有一些濾波 措施 , 但這樣惡劣的輸入信號勢必會對系統(tǒng)測量精 度產(chǎn)生較大影響 。 甚至更嚴(yán)重的情況 , 當(dāng)信號輸入端 有瞬態(tài)沖擊電壓產(chǎn)生時 , 整個信號調(diào)理電路都有可 能被擊穿 。 為了避免上述情況發(fā)生 , 需要對輸入信號 進行信號解耦以達(dá)到抑制干擾 、 保護電路的目的 。 典 型的信號解耦電路見圖 4, 在運算放大器前端 , 也就 是傳感器信號輸出端串聯(lián)了 10k 的電阻 , 在放大 器的正負(fù)輸入端采用對稱的電阻接法 , 這樣的設(shè)計 可以保證當(dāng)有過電壓發(fā)生時

13、, 這些保護電阻先被擊 穿從而起到保護電路后級的作用 。2.3印刷電路板的抗干擾設(shè)計印刷電路板是系統(tǒng)中元器件 、 信號線和電源線的高密度集合體 。 在線監(jiān)測系統(tǒng)的印刷電路板設(shè)計 主要需要考慮以下幾個問題(1 電路板的合理布局電路板的布 局對于提高 電磁干擾能 力非常重 要 。 在線監(jiān)測系統(tǒng)的電路板布局時 , 要充分考慮傳 感器用前端電源 、 地線與單片機用后端電源 、 地線的 區(qū)分 。 堅決避免在電路板布局時將分別使用前 、 后端 電源的器件布置在同一區(qū)域 。 電路板布局完成后 , 要 非常明顯地能區(qū)分出前 、 后端電源的布線區(qū)域 。 圖 5所示隔離帶上面區(qū)域為后端電源 (單片機及其外圍 器件

14、用 區(qū)域 , 隔離帶下方為傳感器端的前端電源 , 通過隔離帶可以明顯地區(qū)分 。圖 3單電源解耦電路圖 4信號解耦典型電路SGNDBGNDB+I_C5I_C21I_R4386325+12VBI_C4I_C207-+I_U1GNDBI _R 9I_R12I_R10I_R11I_R7I_R8I _R 1I_D2I_D1CON2231I_J1SIG_IN11+-12VB4圖 2雙電源解耦電路+12VB_OUT T _T V S 11T _T V S 10T _T V S 912T_C11T_C12T_L10T_L11-12VB_OUT T _C 9T _C 10T _T V S 8T _T V S 7

15、T_L5T_L6T_L7T _C 7T _C 8+12VB-12VBGNDB+5VBT_L1T _C 1T_L2T _T V S 1T _C 2T_L8T _C 3+5VB_OUT1GNDB_5VOUT1T _T V S 2T _T V S 3GNDB GNDB_OUT322 第 43卷 第 5期 2007年 10月High Voltage ApparatusVol.43No.5Oct. 2007高壓電器 圖 5電路板電路布局及隔離帶應(yīng)用隔離前數(shù)字隔離器件隔離后模擬隔離器件隔離帶(2 接地線的處理接地技術(shù)是抑制噪聲干擾的重要手段 , 良好的 接地可在很大程度上抑制系統(tǒng)內(nèi)部噪聲耦合 , 防止 外

16、部干擾的引入 , 提高系統(tǒng)的抗干擾能力 。 一般系統(tǒng) 的 “ 地 ” 可分為兩種 , 一種是實際地 , 也就是地球的大 地 , 另一種是參考地 , 僅用作電路中的基準(zhǔn)電位 , 如 單電源地負(fù)端或雙電源的公共端 。 由于地線上存在 分布阻抗 (分布電阻 、 分布電容和分布電感 , 各部分 流回電源參考地的電流就會在地線 上產(chǎn)生干擾 電 壓 , 使各電路地電位相互影響 , 造成地電位不準(zhǔn) 。 由 于分布參數(shù)多為電抗 , 因此頻率越高 , 干擾越大 13。 本系統(tǒng)中參考地有兩種 , 分別為數(shù)字地和模擬地 。 在數(shù)字回路中 , 地線上通常會串入尖峰脈沖 , 而數(shù)字 回路中高低電平有一定的浮動范圍 ,

17、因而這種尖峰 不會對數(shù)字信號造成太大影響 , 但是對于模擬信號 回路 , 尤其是對小電壓信號回路影響很大 , 嚴(yán)重時會 淹沒正常信號 , 導(dǎo)致測量信號的錯誤 。 基于此原因 , 在設(shè)計模擬和數(shù)字混合的系統(tǒng)時將兩系統(tǒng)的地分開 布線 , 最后把各部分電路的地線分別引入電源的參考地端 , 即 “ 一點接地 ” 。由于此時地線上的共阻抗降 低到了最低限度 , 因此很大程度上消除了共阻抗干 擾 。 在印刷電路板的制作中 , 將地線加寬以盡量減小 地線阻抗 , 穩(wěn)定接地電位 , 提高抗噪聲能力 , 同時將 地線構(gòu)成閉環(huán)以取消地電位差 。(3 電源線的處理根據(jù)地線電流的大小 , 加粗導(dǎo)線的寬度 。 為了減

18、小電源的紋波對其它線路的干擾 , 在一定的間隔上 加高頻噪聲吸收電容 。 在布線時將電源線和地線的 走向與數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛞恢?, 可增強抗干擾能力 14。(4 去耦電容的配置在印刷電路板的各個關(guān)鍵部位配置去耦電容被 視為硬件電路設(shè)計的常規(guī)做法 。 去耦電容能吸收和 提供集成電路邏輯門動作的瞬間充放電能量 , 也可 旁路器件的高頻噪聲 。 由于每塊印制板中的各芯片 工作時會產(chǎn)生頻率不同的信號 , 為了防止各個集成 芯片和各印制板的信號通過電源耦合互相干擾 , 一 般采用去耦法 。 本設(shè)計中在主要芯片的電源端和地 線間并聯(lián) 0.01F 的高頻陶瓷電容和 10F 的膽電 容 (高頻阻抗小 , 漏電流

19、小 ; 在電源模塊輸出端的各 等級電壓和相應(yīng)的地之間跨接了高頻和低頻濾波電 容 。 此外 , 在每塊印制板的 4個角及中間的電源線和 地線之間還并接 1只 10100F 低頻電解電容和1只 0.010.1F 高頻陶瓷電容去耦 12。 還可以在各個印制板上加裝阻容濾波器或分別再加入一級集成穩(wěn)壓電路 , 以防止板與板之間的相互干擾 。(5 隔離帶的應(yīng)用 為了達(dá)到隔離的目的 , 必要時可以在印刷電路 板上刻槽 , 例如在信號解耦電路的保護電阻中間刻 槽可以增加過電壓的爬電距離 , 從而達(dá)到保護電路 板不被擊穿的目的 。 又例如在后級信號條理電路的 光耦器件處刻槽可以起到完全隔離地線的作用 。 具 體

20、應(yīng)用見圖 5, 黑色方框為隔離帶 , 即刻槽部分 。(6 布線方法的改進合理布線并盡可能避免各種信號線之間的電磁 耦合 。 在電路布線中注意以下幾點 : 電路連線要 短 , 對一般信號傳輸線可用雙絞線 。 采用雙絞線 , 一 是可減少感應(yīng)面積 , 二是可使感應(yīng)電勢相互抵消 , 縮 小雙絞線的節(jié)距可以大大提高抑制比 ; 對重要的 控制信號傳輸線 , 除了自身采用同軸電纜加以屏蔽 外 , 在敷設(shè)時還應(yīng)專設(shè)屏蔽槽或傳線鐵管進行一次 屏蔽 ; 信號線與電源線必須分開布線 , 特別是信號 線不能與交流供電線平行布線 , 并應(yīng)相距一定距離 。 各種信號傳輸線要盡量分開獨立布線 , 交流 、 直流要 分開

21、; 輸入 、 輸出線要分開 , 并應(yīng)遠(yuǎn)離強電設(shè)備等干 擾源 。 若系統(tǒng)有多塊印制板 , 則強 、 弱信號電路要分 別布置在不同的板上 。 若系統(tǒng)僅有一塊印制板 , 則也 必須按電路性質(zhì)分開排列 , 不要交叉混雜 ; PCB 布 線時 , 電源線和地線要盡量粗并遠(yuǎn)離信號線 , 采取輻 射狀 , 避免形成回路 , 并盡可能覆蓋印制板的空余 處 , 防止在地線上形成較大的電位差 。 模擬地 、 數(shù)字 地 、 電源地等要各自分開走 , 自成系統(tǒng) , 然后把它們 匯集連接到一個公共接地點 。 信號線在板上走線時 盡量靠近地線 , 同時應(yīng)遠(yuǎn)離大電流信號線及電源線 。 數(shù)字信號線既會干擾小信號線 , 又會受

22、大電流信號 線及電源線的干擾 , 也要合理安排 。 凡是容易串?dāng)_的 兩條線 , 要盡量不使他們相互靠近和平行敷設(shè) 。 在雙 面板上 , 正反面的走線盡可能垂直 , 以減少電磁耦 合 。 走線還應(yīng)盡量短并且少過孔 。2.4其它抗干擾設(shè)計(1 屏蔽盒屏蔽和傳輸線屏蔽在在線監(jiān)測系統(tǒng)中 , 采用了屏蔽盒和傳輸線屏 蔽 。 通過屏蔽體把空間進行電場 、 磁場或電磁場耦合的部分隔離開來 , 割斷其空間的耦合通道 。 對于絕 緣泄漏電流測量傳感器采用了多層屏蔽 , 每一層屏 蔽采用不同的材料 , 這樣大大降低空間的電磁干擾 和噪聲耦合 , 有較好的抗干擾效果 。 此外 , 信號傳輸 線使用了帶屏蔽的雙絞線來

23、消除長線傳輸可能引入 的空間干擾 。(2 光電隔離和模擬隔離在線監(jiān)測系 統(tǒng)中可采取 的隔離措施 有光電隔323 第 43卷 第 5期2007年 10月 High Voltage Apparatus Vol.43No.5 Oct. 2007高壓電器離 、 模擬隔離 。 模擬電路中有時需要數(shù)字 I/O 信號 , 如多路選擇開關(guān)的片選信號 , 開關(guān)量輸入輸出的 I/O 信號 , 這些信號涉及到模擬部分和數(shù)字部分 , 因此在 兩者之間加光電隔離 , 可以很好地消除兩者之間可 能存在的串?dāng)_ 。 同樣 , 對模擬信號進行數(shù)字采集也會 存在上述問題 , 這時可以加模擬隔離放大器進行模 擬信號的隔離 。 總之

24、通過隔離措施可以將電路上的 干擾源和易受干擾的部分隔開 , 其實質(zhì)就是切斷干 擾通道 , 從而達(dá)到抗干擾的目的 15。 對于輸入的模 擬信號 , 串接磁環(huán) 、 并接高壓磁片 , 然后采用隔離運 方 ISO124進行信號的隔離 , 防止信號端的干擾串 入控制單元 ; 對于數(shù)字信號 , 利用 TLP521-4進行隔 離 。 對于輸出的開關(guān)量 , 采用光電耦合器件進行光電 隔離后輸出 。(3 系統(tǒng)接地的處理對于電子系統(tǒng)來說 , “ 地 ” 可以分為兩種 :一種是 “ 大地 ” , 另一種是 “ 工作基準(zhǔn)地 ” , 實踐證明 , 良好地 接地可以在很大程度上抑制系統(tǒng)內(nèi)部噪聲耦合 , 防 止外部干擾地侵

25、入 , 提高系統(tǒng)地抗干擾能力 16。 反 之 , 若接地處理不好 , 反而會導(dǎo)致噪聲耦合 。 大地對 于保證設(shè)備安全和人身安全是至關(guān)重要的 。 它能夠 提高靜電屏蔽通路 , 降低電磁感應(yīng)噪聲 。 筆者所設(shè)計 的屏蔽接地都是接 “ 大地 ” , 而不是工作基準(zhǔn)地 。 除了上述幾種重要的抗干擾措施 , 系統(tǒng)中還可 對所有的信號輸入輸出端都使用了 TVS 管和穩(wěn)壓 管 , 這樣不僅具有保護系統(tǒng)的作用 , 而且還可以有效 地抑制斷路器動作時產(chǎn)生的脈沖干擾 ; 對模擬小信 號采用高精度的電阻進行耦合 , 并采用共模抑制比 非常高的儀用運算放大器對傳感器出來的微伏級信 號進行前級放大 , 以此保證信號的提

26、取精度 , 在后級 信號處理過程中也采用了相應(yīng)的濾波措施 , 濾除一 些雜散的干擾信號 , 保證了最后的計算精度 。 在通信 口輸入端加裝了暫態(tài)電壓抑制器 (TVS , 以避免從 通信通道耦合入系統(tǒng)的強電脈沖干擾 ; CMOS 器件 的輸入阻抗很高 , 若輸入端浮空 , 會降低其抗干擾能 力 , 柵極感應(yīng)的靜電也可造成柵擊穿 , 因此不用的輸 入端應(yīng)該和地線相連 。 對于動作時可能會產(chǎn)生火花 和電磁干擾的按鈕和繼電器等部件 , 除了采用光電 隔離外 , 干擾在其節(jié)點處跨接了 RC 電路加以吸收 , 以減小向空間輻射電磁干擾 。 對于頻率發(fā)生單元 (時 鐘芯片的晶振和 DSP 的頻率單元 , 設(shè)

27、計中盡可能 地減小其相關(guān)元件的布板面積 , 并用屏蔽線將其包 圍以減小向外輻射干擾 。 在電路板的總體設(shè)計中 , 按 照信號類型進行分塊布置印刷線路板 , 避免了高頻 數(shù)字信號和易產(chǎn)生電磁輻射的輸出控制部件對模擬 信號的干擾 。 3結(jié)語針對中壓開 關(guān)柜在線監(jiān) 測系統(tǒng)的電 磁干擾特 點 , 從電源 、 信號傳輸 、 PCB 布局 、 布 線等方面詳 細(xì) 介紹了提高在線監(jiān)測系統(tǒng)抗電磁干擾能力的措施 。 通過這些措施的實施 , 筆者項目組開發(fā)的中壓開關(guān) 柜在線監(jiān)測系統(tǒng)在國家高壓電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心 進行了 EMC 性能測試 , 并通過了電磁兼容性嚴(yán)酷度 3級的試驗 。參考文獻(xiàn) :1李建基 . 高壓開

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